程志遠，李維嘉，何宇航，單福林

(1.華中科技大學，湖北 武漢 430074；2.九江四元科技有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

光纖陀螺儀具有動態(tài)范圍寬、啟動時間短、抗干擾性強、體積小、重量輕、功耗低和成本低等優(yōu)點[1]，在軍民兩用慣性導航系統(tǒng)中受到廣泛應用。光纖環(huán)繞制過程中光纖張力的大小及其波動，是影響光纖環(huán)附加相位誤差和輸出信號偏移量的關鍵因素。實現(xiàn)光纖張力的高精度控制，是開發(fā)出高品質光纖陀螺儀的前提[2]。

1 現(xiàn)有光纖張力控制系統(tǒng)

1.1 張力產(chǎn)生原理

光纖繞制工藝中，光纖張力產(chǎn)生的方式主要有摩擦或阻力矩產(chǎn)生張力、直接產(chǎn)生張力、速度差間接產(chǎn)生張力等[3]。由于現(xiàn)有光纖張力控制系統(tǒng)的張力控制范圍在0.098～0.196 N之內，而通過摩擦或阻力矩產(chǎn)生張力的方式與通過復雜的機械結構直接產(chǎn)生張力的方式，均難以滿足高精度變張力控制要求。速度差產(chǎn)生張力只需要控制放線輪和收線輪之間的速度差，該方式具有結構簡單便于控制的特點[4]，現(xiàn)有設備采用的就是速度差產(chǎn)生張力的方式。速度差產(chǎn)生張力的原理如圖1所示。

圖1 張力產(chǎn)生原理

若收線輪和放線輪之間存在速度差，即V2>V1時，張力就會產(chǎn)生，張力與速度差之間是正相關。由胡克定律可得光纖張力與速度差的數(shù)學關系式為

(1)

S為光纖的截面面積；E為光纖的彈性模量;L為張力為0時兩輪之間的光纖長度;V1為放線輪點1處的線速度;V2為收線輪點2處的線速度;t1為光纖上某點離開放線輪上點1時的時刻;t2為光纖上該點到達收線輪上點2時的時刻。

1.2 現(xiàn)有張力控制設備

現(xiàn)有的光纖張力測控系統(tǒng)分為4大部分：主控單元、執(zhí)行單元、物理運動單元和測量反饋單元。其中，主控單元負責讀取并分析傳感器數(shù)據(jù)、計算控制量、給出控制命令。設備中的主控單元是一個PID控制儀模塊貨架產(chǎn)品。執(zhí)行單元由Elmo驅動器和伺服電機組成，該電機帶有剎車和絕對值編碼器，電機輸出軸與放線輪采用直接連接的傳動方式。物理運動單元則是由機架、放線輪、滑輪組、彈簧以及光纖組成，光纖一端由放線輪引出，另一端連接收線輪。如圖2所示的張力傳感器是系統(tǒng)的測量反饋單元，負責測量光纖張力的實時變化，并反饋給主控單元。光纖張力控制系統(tǒng)工作原理為：在某一時刻，傳感器測得的光纖張力數(shù)據(jù)傳給主控單元，主控單元根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算出放線輪需要的轉速后，發(fā)出控制指令給執(zhí)行單元，執(zhí)行單元驅動物理運動單元進行放線輪和收線輪之間的速度匹配，從而保證光纖張力穩(wěn)定在預設值的規(guī)定范圍之內，達到張力控制的目的。

圖2 改進前張力傳感器

1.3 存在的問題及分析

光纖張力控制系統(tǒng)具有控制張力小(0.098～0.196 N)、精度要求高(±0.004 9 N)的特點[5]。經(jīng)過分析，原設備無法達到這一精度的主要原因有：張力傳感器由彈簧和位移傳感器組成，如圖2所示，當光纖上有張力時光纖會通過舞蹈輪壓縮彈簧產(chǎn)生位移，通過測量位移得到張力。實際運行中，導軌與舞蹈輪的支架之間存在著較大的靜摩擦力，這導致張力的微小變化被靜摩擦力掩蓋而無法檢測出來，由于靜摩擦力大于滑動摩擦力，微小的變化往往逐漸累積成一個較大的變化才被檢測到并反饋給控制器，使控制器誤以為在短時間內張力變化很大，然后給出過大的控制量，導致張力忽高忽低變化，影響張力控制的準確性和穩(wěn)定性，張力控制很難達到要求的精度。電機帶負載能力和抗干擾性差，伺服電機通常工作在中高速區(qū)間，低速區(qū)間(40 r/min之內)的速度剛度低，控制效果差。原主控單元是PID控制儀貨架產(chǎn)品，只能調整增益、積分和微分3個系數(shù)，不能改變張力控制策略、無法根據(jù)需要改變采樣和控制頻率，自適應能力差。

為了在光纖環(huán)繞制過程中對張力進行高精度控制，本文采取了以下改進措施：采用角度傳感器和滑輪組組合構成張力傳感器，以減小靜摩擦力對張力測量的影響；電機與放線輪之間增加高減速比的減速器，提高執(zhí)行器的帶載能力和抗干擾能力；對主控單元進行重新設計，包括控制策略的調整和控制系統(tǒng)硬件電路部分的集成化設計。改進后的張力控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 張力控制系統(tǒng)

2 機械結構的改進

2.1 張力測量機構的改進

因為角度傳感器工作時其內部機械零件產(chǎn)生的靜摩擦非常小，可以忽略不計，所以反應更加靈敏。這樣進行重新設計后，張力傳感器不僅準確性高，同時又能快速反饋光纖張力的變化，實時性很好。改進后的張力測量機構如圖4所示。

圖4 改進后張力傳感器

2.2 電機傳動方式的改進

在原控制系統(tǒng)中，電機的傳動方式為電機輸出軸直接與放線輪連接。改進后電機的傳動方式變?yōu)闇p速器傳動。電機直驅的缺點是在低速狀態(tài)下伺服電機的速度誤差百分比大，電機和驅動器組成的速度閉環(huán)控制效果不好，帶載能力差。張力控制設備要求放線輪轉速最快為10 r/min，且放線輪隨著放線過程光纖越來越少，轉動慣量是變化的。根據(jù)設備要求，伺服電機需要在低速狀態(tài)下有較小的速度變化和較強的帶載能力，符合這種要求的電機價格昂貴，且需要進口，采購周期很長，設備的研發(fā)成本過高[6]。本設備使用的伺服電機在低于40 r/min的轉速下速度誤差百分比很大，在40 r/min以上具有較穩(wěn)定的轉速。電機和放線輪通過減速器傳動時，設置減速比為19，則電機最大工作轉速為190 r/min，在這個轉速下，電機的轉速誤差百分比很小，且電機具有更大的功率輸出，帶載能力強。這種傳動方式的優(yōu)點是電機避開了工況不好的速度階段，系統(tǒng)不要求電機具備優(yōu)良的低速穩(wěn)定性能，可以降低研發(fā)成本，且電機帶載能力強。減速器傳動如圖5所示。

圖5 電機減速器

3 電控系統(tǒng)設計

3.1 數(shù)字PID控制策略與數(shù)字濾波

國內外普遍采用PID控制張力系統(tǒng)并取得了一定的成果[6]。PID控制，即比例積分微分控制，是一種算法簡單、適應性強、可靠性高的經(jīng)典控制器，在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應用?；谝陨蟽?yōu)點，本文使用PID控制算法實現(xiàn)光纖張力的高精度控制?，F(xiàn)有光纖張力控制設備的PID控制儀的反饋只考慮張力的誤差，而忽略了收線輪與放線輪的速度。由式(1)可知，張力與兩輪的速度密切相關，因此，本文重新設計的張力控制系統(tǒng)，不僅接收張力的反饋數(shù)據(jù)，而且測量收線輪的實時轉速?？刂七^程如圖6所示。

圖6 改進PID控制策略

根據(jù)式(1)，在控制過程中，控制器輸出量由2部分組成：根據(jù)目標張力和收線輪的實時速度計算出輸出量uout1；根據(jù)張力誤差利用PID算法計算出的輸出量uout2。二者共同組成了控制器的輸出uout。

在電路系統(tǒng)中，傳感器的模擬量信號經(jīng)常包含干擾信號，濾除這些干擾，除了在硬件中加入濾波電路外，還需要在軟件中進行數(shù)字濾波。本文采用剔除野值干擾加數(shù)據(jù)平均的濾波算法，達到濾除隨機脈沖，減少誤判的發(fā)生幾率[7]。

3.2 硬件系統(tǒng)設計

張力控制策略如圖7所示，根據(jù)該控制策略，硬件電路的設計如圖8所示。硬件系統(tǒng)由MCU、供電模塊、升壓模塊、隔離變送器和光電隔離器組成。其中，MCU是STM32主控芯片，負責處理傳感器數(shù)據(jù)、計算控制器輸出量、給出控制命令，是主控板的大腦。供電模塊負責把主控板接入的24 V直流電降壓后分配給各個子模塊。升壓模塊負責把STM32輸出的控制信號放大。圖8中隔離變送器1把張力傳感器0～10 V的電壓信號線性轉換為0～3.3 V，然后接入MCU；隔離變送器2功能是把經(jīng)放大后的控制信號線性轉換為-10～10 V的電壓信號接入Elmo驅動器。收線輪編碼器的AB相是±5 V差分信號，這個信號含有高頻干擾和毛刺信號，不能直接接入MCU，因此經(jīng)過光電隔離器濾除這些干擾后，再進入MCU就可以采集到較為準確的脈沖信號。

圖7 張力控制系統(tǒng)

圖8 主控板電路原理示意

4 試驗結果分析

4.1 電機轉速誤差試驗

電機減速器減速比為19，則放線輪轉速為5 r/min時，無減速器和有減速器傳動對應的電機轉速為5 r/min和95 r/min。測得的電機實時轉速如圖9所示，對應的實時轉速誤差百分比如圖10所示。圖9～圖10中，t為時間；n為電機實際轉速；e為電機轉速誤差百分比。

圖9 電機轉速測試曲線

圖10 電機轉速誤差百分比曲線

由圖9～圖10可知，放線輪轉速為5 r/min且空載時，使用減速器傳動可使e減小為原來的1/4左右；而在同樣轉速下，滿載工作時e可以減小到原來的1/10左右。根據(jù)以上試驗現(xiàn)象可以得出結論：讓伺服電機工作在40 r/min以上的速度階段，再通過減速器傳動，可以有效減小放線輪的速度波動，并且可以消除放線輪負載變化對轉速的影響。

4.2 張力控制的影響試驗

為了測試改變傳動方式前后系統(tǒng)的控制效果，分別測試低速和高速2種工況下光纖張力的變化情況。在10 s附近通過在放線輪上加入一個轉動慣量為67.009 kg/mm2的圓盤手動增大放線輪的負載，以對比2種傳動方式的抗干擾能力和帶負載能力。光纖張力隨時間的變化曲線如圖11和圖12所示。

從圖11～圖12中可以看出，有減速器傳動方式下，無論在低速還是高速狀態(tài)下都能滿足張力誤差在±0.004 9 N之內的要求，采用無減速器傳動方式時則很難把張力控制在要求范圍內。當有外部擾動導致負載變化時，由于擾動通過減速器傳到電機時對電機的影響很小，電機可以根據(jù)控制器的要求達到特定的速度，且保持穩(wěn)定，從而保證光纖張力經(jīng)過短暫調整恢復到0.147 N左右；而無減速器傳動方式下擾動對電機的影響較大，電機在大負載下不易達到要求的速度，光纖張力波動范圍擴大。

圖11 5 r/min時光纖張力曲線

圖12 10 r/min時光纖張力曲線

4.3 改進前后張力控制效果對比試驗

從圖13～圖14中可以看出：原張力傳感器由于摩擦力的原因，測得的張力變化曲線有很多階梯，這驗證了本文1.3節(jié)中提出的，由于張力傳感器存在的問題導致控制過程中張力忽高忽低變化的分析結果，改進后的張力傳感器很好地解決了這一問題；改進后的張力控制效果相對于原系統(tǒng)，無論是穩(wěn)定運行時還是受到干擾后，都更加優(yōu)異，除擾動后的短暫調整時間內，誤差基本在±0.004 9 N之內。

圖13 5 r/min時改進前后光纖張力曲線

圖14 10 r/min時改進前后光纖張力曲線

5 結束語

本文在原有的光纖張力控制系統(tǒng)上進行了改進，通過改進張力傳感器、改變電機傳動方式、重新設計電控系統(tǒng)等措施，解決了張力測量不準確、電機帶載能力差和控制策略不完善等問題，把光纖張力誤差從±0.014 7 N降低為±0.004 9 N。改進后的張力控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，可以滿足高精度光纖環(huán)繞制工藝的要求。